色谱指纹图谱聚类分析在法庭溯源领域的应用
引用本文:李昊洋，张文骥，韩祺瑞，等.色谱指纹图谱聚类分析在法庭溯源领域的应用[J]. 化学试剂，2024，46(3):91-98.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0676
背景介绍
化学指纹检验是法庭溯源技术的重要组成部分，对于复杂组分物质溯源的准确性远高于使用单一标志物的溯源方法。常用的化学指纹检验方法各有利弊，化学法简单直接但消耗样品多而检测限高、光谱法简便快速但不分离而干扰多、色谱法检测物质种类多，但是处理困难。随着化学计量学的发展，色谱指纹图谱分析的发展充分利用了色谱法产生的大量数据，使得化学指纹的检验更加准确和简便。聚类分析属于无监督化学模式识别方法，利用数据内在结构和关系发现数据规律，适用于色谱指纹图谱分析，二者结合能够广泛应用于法庭溯源领域。
文章亮点
1.介绍了化学模式识别方法和常见聚类分析的算法，比较了有监督模式识别方法和无监督模式识别方法的特点及优势；
2.讨论了色谱指纹图谱聚类方法在化学指纹检验和法庭溯源中的应用，重点总结了其在毒品、纵火物、食品溯源领域的应用；
3.论述了色谱指纹图谱聚类分析在法庭溯源领域应用的优势和存在的问题，并对其未来发展应用提供了一些建议。
内容介绍
色谱指纹图谱(Chromatographic Fingerprint)的概念借鉴于中药质量控制中的“中药指纹图谱”[5]。中药含有的活性成分多，个别活性成分不能代表整体疗效，使用单一成分进行质量控制和评价有效性差，因此中药分析中大量应用了色谱指纹图谱分析技术[6–9]。
1 化学模式识别与聚类分析
化学模式识别(Chemical Pattern Recognition)是使用化学计量学对样品进行分类的方法，其目的是分析多变量的化学测量数据以对不同样本按照某些共同特征进行分类识别，发现被测量样本之间的内在联系[10]。化学模式识别分为有监督模式识别方法和无监督模式识别方法两大范畴。
聚类分析是无监督模式识别方法的代表。聚类分析是一种检测并合并由多个定性、定量变量描述的对象的数学方法。有监督模式识别方法引入了大量训练数据和测试数据以训练和验证最佳性能模型，相较于无监督模式识别方法聚类效果更优。
2 聚类方法在法庭溯源领域应用
通常，研究者会将聚类分析与其他化学计量学的数据处理方法结合使用，以获得更好的结果。表1汇总了基于色谱指纹图谱聚类分析的法庭科学溯源研究相关文献中的研究信息。
2.1 色谱-聚类分析在毒品溯源研究中的应用
在法庭科学领域，色谱指纹图谱能够提供毒品与杂质的定性定量数据。杂质与毒品活性成分紧密相关，对多个毒品样品的杂质进行聚类分析，能够进行毒品溯源。
2.2 色谱-聚类分析在纵火物溯源研究中的应用
纵火案件现场的可燃液体残留物(Ignited Liquid Residue，ILR)分析是法庭科学研究的重要课题之一。分析ILR有助于获得其助燃剂原体的来源、品牌、等级等信息。
2.3 色谱-聚类分析在食品溯源研究中的应用
化学成分溯源法更加高效、准确，通过运用色谱、光谱等手段分析产品，使用化学计量学方法处理数据，能够准确识别其真实产地[38]。
3 色谱指纹图谱聚类分析在法庭溯源中的优势
溯源的技术有很多，常见的有条形码溯源技术、稳定同位素溯源技术、元素分析溯源技术、光谱溯源技术、DNA溯源技术等。这些技术广泛应用于产品溯源、原料溯源等方面，在各自的领域都有成熟的发展，但是应用到法庭科学领域时都有不足。
和上述溯源技术相比，色谱指纹图谱技术最大的优势是分离检验，一方面能够避免组分相互干扰，减少数据重叠；另一方面可以寻找和分析潜在差异物，增加解释性和说明性。色谱指纹图谱聚类分析在法庭溯源中还具有分析物质范围广、客观准确、技术成熟操作简单等优点。
4 色谱指纹图谱聚类分析溯源技术的潜在应用
当前色谱指纹图谱聚类分析已经广泛应用于中药质量控制[6,7,9,39-42]、石油泄漏溯源[42,43]等方面。由于准确度高、误差低、解释性和说明性强，该技术应用前景十分广阔。此外，将其应用于犯罪现场遗留物证中的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOC)分析，能够更加精确地判断物证形成时间、血液物证种属、物证遗留主体情况等[44-46]，能够在一定程度上缩小侦查范围、指明侦查方向。
5 色谱指纹图谱聚类分析溯源应用存在的问题
色谱指纹图谱溯源技术受到的制约主要来自于色谱分析过程。基于色谱分析的原理，对于不同色谱柱和检测器，仪器条件不同，被分析物前处理的方法也不同，不能形成一个统一的方法，分析灵敏度和准确性参差不齐；其次，相比于以秒计算分析时长的光谱技术等，色谱分析速度过慢；并且，色谱仪器很难做到微型化，这样意味着在现场进行色谱分析难度较大。
6 结论
指纹图谱是一种综合的、可量化的鉴定手段。法庭科学溯源分析检材为多组分复杂体系，因此应采用与之相适应的、能提供丰富鉴别信息的检测方法，建立指纹图谱将能够全面地反映鉴定样本中所含化学成分的种类与数量，进而对样本的溯源信息进行整体描述与评价。色谱分析能够对基质中的复杂组分进行分离鉴定，解释图谱差异的原因和机制，大大提高对于复杂样品分析和溯源的准确性。
本文综述了色谱指纹图谱聚类在法庭溯源领域，主要包括对毒品、纵火物、食药产品等溯源方面的应用，讨论了色谱指纹图谱的未来趋势和发展方向。基于色谱图相似性的聚类分析在法庭溯源领域的应用前景广阔，未来会因机器学习和人工智能的发展在法庭溯源等领域而得到更好的发展与应用。
